中國發動機材料獲重大突破 一數據遠優於美

據悉,南京理工大學陳光教授團隊在國家973計劃等資助下,經長期研究,在新型航空航天材料鈦鋁(TiAl)合金方面取得重大跨越性突破。陳光教授團隊發明的TiAl單晶合金,一下將承溫能力提高了150~250℃以上,是重大突破,屬引領性成果,發動機的壽命將優於美國1到2個數量級。陳光教授團隊所製備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa,抗拉強度高達978MPa,實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是,該合金在 900℃時的拉伸屈服強度為637MPa,並具有優異的抗蠕變性能,其最小蠕變速率和持久壽命均優於已經成功應用於GEnx發動機的4822合金1~2個數量級。圖為通用GEnx發動機。據新華報業網報道,南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊在國家973計劃等資助下,經長期研究,在新型航空航天材料鈦鋁合金方面取得重大跨越性突破。相關成果Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications(高溫PST鈦鋁單晶)於2016年6月20日在線發表於Nature Materials(《自然材料》)。航空航天技術是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。航空發動機被譽為飛機的心臟,葉片則是航空發動機中最關鍵的核心部件,其承溫能力直接決定著發動機的性能,尤其是推重比。 美國GE公司採用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下簡稱4822)合金替代原來的鎳基高溫合金製造了GEnx發動機最後兩級低壓渦輪葉片,使單台發動機減重約200磅,節油20%,氮化物(NOx)排放量減少80%,噪音顯著降低,用于波音787飛機,2007年試飛成功,2009年正式投入商業運營,成為當時航空與材料領域轟動性的進展。陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現了新的大幅度跨越,所製備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa,抗拉強度高達978MPa,實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是,該合金在 900℃時的拉伸屈服強度為637MPa,並具有優異的抗蠕變性能。圖為陳光教授在發布會上介紹研究成果。 陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現了新的大幅度跨越,所製備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa,抗拉強度高達978MPa,實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是,該合金在 900℃時的拉伸屈服強度為637MPa,並具有優異的抗蠕變性能,其最小蠕變速率和持久壽命均優於已經成功應用於GEnx發動機的4822合金1~2個數量級,有望將目前TiAl合金的使用溫度從650~750℃提高到900℃以上。為縮短我國與歐美髮達國家的差距,國家已將航空發動機和燃氣輪機列為「重大科技項目」,並於2016年3月正式成立了「中國航空發動機集團有限公司」。北京航空材料研究院曹春曉院士指出:「通常,鎳基單晶高溫合金的承溫能力每提高25~30℃,即為一代新合金。陳光教授團隊發明的TiAl單晶合金,一下將承溫能力提高了150~250℃以上,是重大突破,屬引領性成果。這項關鍵材料技術誕生於我國,是我們國家和民族的驕傲與自豪!不僅對我國的航空航天事業的發展具有重大價值,有助於中國飛機有一顆更強的『中國心』,也必將對維護世界和平、促進社會發展起到積極作用。」 科技部先進結構與複合材料主題專家組組長、北京航空材料研究院副總工程師張國慶研究員指出:「高溫合金是『重點新材料研發與應用』國家重大工程的關鍵研發內容之一,輕質高強材料是國家新材料領域的重要發展方向。TiAl合金因其優異的比強度和高溫性能,已成為有航空航天應用前景的新型高溫結構材料及傳統高溫合金的未來替代材料。南京理工大學陳光教授團隊研究成功的『PST高溫TiAl合金單晶』大幅度提高了高溫性能,顯著改善了材料塑性,對於新型輕質高溫結構材料的發展和應用具有非常重要的意義」。長期從事高溫結構材料研究的中國科學院金屬研究所袁超研究員認為:「陳光教授團隊採用納米孿晶強韌化方法製備的單晶TiAl不僅強度高,室溫塑性更是超過6.9%,屬於金屬間化合物研究的重大突破。一方面,這種發現有可能應用於其他金屬間化合物,引領新一輪金屬間化合物研究熱潮,具有重大理論意義。另一方面,高塑性為其真正工程應用奠定基礎,具有重大工程意義」。並指出:「該成果是中國原創,絕對世界領先。建議國家加大支持力度,儘快完成該合金全面性能測試,真正應用於我國航空發動機的葉片製造」。 日前,中國科學院工程熱物理研究所自主研製的1000公斤推力渦扇發動機整機在位於廊坊科技谷的廊坊研發中心研製完成並實現100%設計轉速,達到設計推力。在整個試車過程中發動機振動、壓力、排溫、腔溫等各項指標正常,整機性能及可靠性得到了初步考核驗證,完成階段性目標。圖為1000公斤推力渦扇發動機模型。目前,我國航空發動機市場需求旺盛,但中國幾乎所有的民航飛機發動機都依賴進口,軍用發動機則主要是自主研製+引進俄羅斯或烏克蘭引擎。2015年11月2日總裝下線的國產大飛機C919,採用的 LEAP-1C發動機,由法國斯奈克瑪公司與美國通用公司合資的CFM公司研製。圖為國產「太行」發動機(渦扇10)。 來源:big5.backchina.com


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